6.2液晶显示

在液晶盒玻璃基板外表面粘贴上线偏振片，使起偏片 的偏振轴与该基片上的摩擦方向一致或垂直，并使检偏片 与起偏片的偏振轴相互正交或平行，就构成了最简单的扭 曲向列液晶盒。
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1. 工作原理
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• 入射光通过偏振片后成为线偏振光。
• 无电场作用时，如果出射处的检偏片的方向与起偏片方 向垂直，旋转过90度的偏振光可以通过，因此有光输出 呈亮态。
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2. TN-LCD的电光特性
阈值电压Vth——透射率为器件最大透射率的 90%（常白型）或10%（常黑型）所对应的电压有效 值，Vth是和液晶材料有关的参数，对于TN-LCD，大 约在1—2V之间。 饱和电压Vsat——透射率为器件最大透射率的 10%（常白型）或90%（常黑型）所对应的电压有效 值。
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二、液态晶体的类别
随着人们对液晶的逐渐了解，发现液晶
物质基本上都是有机化合物，现有的有机化
合物中每200种中就有一种具有液晶相。 从成分和出现液晶相的物理条件来看，
液晶可以分为热致液晶和溶致液晶两大类。
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把某些有机物加热溶解，由于加热破坏结 晶晶格而形成的液晶称为热致液晶，就是如前面 所说由于温度变化而出现的液晶相。
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一定强度的电场、 磁场也可使胆甾相液 晶转变为向列相液晶。 胆甾相易受外力的影 响，特别对温度敏感， 温度能引起螺距改变， 而它的反射光波长与 螺距有关，因此，胆 甾相液晶随冷热而改 变颜色。
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三、 液晶的光电特性
由于液晶分子的结构为各向异性 (Anisotropic)，所以引起的光电效应就会因为 方向不同而有所差异，也就是液晶分子在介电 系数及折射系数等光电特性都具有各向异性， 因而可以利用这些性质来改变入射光的强度， 以便形成灰阶，应用于显示器组件上。
向列相Nematic也是由希腊语而来，是丝 状之意，因这种液晶的薄层在偏光显微镜下观 察时，呈现丝状型织构，故称之为丝相。分子 位置杂乱，但方向大致一致，故译向列相。 胆甾相液晶则是由于此种液晶最早是从胆 甾醇类物质中发现的，故称之为胆甾相。 9
作为显示技术应用的液晶都是热致液晶
固体 液晶 液体
T1
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3、线偏振光在扭曲向列相液晶中的传播
把液晶盒的两个内表面作沿面排列处理并使盒表面上的 向列相液晶分子方向互相垂直，液晶分子在两片玻璃之间呈 90º 扭曲，即构成扭曲向列液晶，光波波长λ<<P（螺距）。
当线偏振光垂直入射时，若偏振方向与上表面分子取向相 同，则线偏振光偏振方向将随着分子轴旋转，并以平行于出口 处分子轴的偏振方向射出；若入射偏振光的偏振方向与上表面 分子取向垂直，则以垂直于出口处分子轴的偏振方向射出，当 以其它方向的线偏振光入射时，则根据平行分量和垂直分量的 位相差的值，以椭圆、圆或直线等某种偏振光形式射出。
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液晶是一种介于固体与液体之间，具有规则 性分子排列的有机化合物，一般最常用的液晶型 式为向列液晶，分子形状为细长棒形，长宽约 1nm～10nm，在不同电流电场作用下，液晶分 子会做规则旋转90度排列，产生透光度的差别， 如此在电源ON/OFF下产生明暗的区别，依此原 理控制每个像素，便可构成所需图像。
由杆形分子形成的液晶（热致液晶）， 其液晶相共有三大类： 近晶相液晶（Smectic liquid crystals）
向列相液晶（Nematic liquid crystals）
胆甾相液晶（Cholesteric liquid crystals）
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近晶相Smectic由希腊语而来，是肥皂状之 意，因这种类型的液晶在浓肥皂水溶液中，都 显示特有的偏光显微镜像，因而命名为皂相。 分子分层排列，有统一方向，比较接近晶体， 故译近晶相。
液 晶 显 示
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§6.2 液晶显示
一、液晶发展史
液晶最早是奥地利植物学家莱尼茨尔（F. Reinitzer）于1888年发现的，他在测定有机物 的熔点时，发现某些有机物（胆甾醇的苯甲酸 脂和醋酸脂）熔化后会经历一个不透明的呈白 色浑浊液体状态，并发出多彩而美丽的珍珠光 泽，只有继续加热到某一温度才会变成透明清 亮的液体。
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胆甾相液晶（Cholesteric Liquid Crystals）这个名字的来 源是因为大部份是由胆固醇的衍生物所生成的，但有些没有 胆固醇结构的液晶也会具有此液晶相。 如果把这种液晶一层一层分开来看，很像线状液晶。但是 在Z轴方向来看，会发现它的指向矢随着一层一层的不同而像 螺旋状一样分布，而当其指向矢旋转360度所需的分子层厚度 就称为pitch。正因为它每一层跟线状液晶很像，所以也叫做 Chiral nematic phase。 以胆固醇液晶而言，与指向矢的垂直方向分布的液晶分 子，由于其指向矢的不同，就会有不同的光学或是电学的差 异，也因此造就了不同的特性。
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向列相液晶(Nematic Liquid Crystals) 分 子只有一维有序，分子长轴互相平行，但不 排列成层，它能上下、左右、前后滑动，只 在分子长轴方向上保持相互平行或近于平行， 分子间短程相互作用微弱，向列相液晶分子 的排列和运动比较自由，对外界电、磁场、 温度、应力都比较敏感，是目前显示器件的 主要材料。
利用传统的晶体光学理论可以描述光在液 晶中的传播。
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1、电场中液晶分子的取向
液晶分子长轴排列平均取向的单位矢量n 称为指向矢量，设 // 和 分别为当电场与指 向矢平行和垂直时测得的液晶介电常数。 定义介电各向异性△ε：
//
△ε＞0的液晶称为P型液晶 △ε＜0的液晶称为N型液晶
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在外电场作用下——
P型液晶分子长轴方向平行于外电场方向
N型液晶分子长轴方向垂直于外电场方向
目前的液晶显示器件主要使用P型液晶。
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2、线偏振光在向列液晶中的传播
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偏振光(Polarization)
光是一种电磁波，电磁波是横波。振动方向和光波前进方 向构成的平面叫做振动面，光的振动面只限于某一固定方向的， 叫做平面偏振光或线偏振光。 通常光源发出的光，它的振动面不只限于一个固定方向而 是在各个方向上均匀分布的，这种光叫做自然光。 光的偏振性是光的横波性的最直接，最有力的证据，光的 偏振现象可以借助于实验装置进行观察，P1、P2是两块同样的 偏振片。通过一片偏振片p1直接观察自然光（如灯光或阳光）， 透过偏振片的光虽然变成了偏振光，但由于人的眼睛没有辨别 偏振光的能力，故无法察觉。
• 有电场作用时，如果电场大于阈值场强，除了与内表面 接触的液晶分子仍沿基板表面平行排列外，液晶盒内各 层的液晶分子其长轴都沿电场取向而成垂直排列的状态， 此时通过液晶层的偏振光偏振方向不变，因而不能通过 检偏片而呈暗态，即实现了白底上的黑字显示，称为正 显示。 • 同样，如果将起偏片和检偏片的偏振轴相互平行粘贴， 则可实现黑底白字显示，称为负显示。
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在两片玻璃基板上装有配向膜，所以液晶会沿着沟槽配 向，由于玻璃基板配向膜沟槽偏离90度，所以液晶分子成为 扭转型； 当玻璃基板没有加入电场时，光线透过偏光板跟着液晶 做90度扭转，通过下方偏光板，液晶面板显示白色；
当玻璃基板加入电场时，液晶分子产生配列变化，光线 通过液晶分子空隙维持原方向，被下方偏光板遮蔽，光线被 吸收无法透出，液晶面板显示黑色。
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四、液晶显示（LCD）
液晶显示器(LCD/Liquid Crystal Display） 是利用液态晶体的光学各向异性特性，在电场 作用下对外照光进行调制而实现显示的。
1968年出现了液晶显示装置。将液晶置于 两片导电玻璃之间，靠两个电极间电场的驱动， 引起液晶分子扭曲向列的电场效应，以控制光 源透射或遮蔽功能，在电源关开之间产生明暗 而将影像显示出来，若加上彩色滤光片，则可 显示彩色影像。
液晶显示器便是根据此电压有无，使面板达到显示效果。
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液晶显示器主要有以下特点：
（1）液晶显示器件是厚度仅数毫米的薄形器件， 非常适合于便携式电子装置的显示。
（2）工作电压低，仅数伏，用CMOS电路直接驱 动，电子线路小型化。
（3）功耗低，显示板本身每平方厘米功耗仅数十 微瓦, 采用背光源也仅10mW/cm2左右，可用电池长时 间供电。
T2
低于温度T1，就变成固体（晶体），称T1为液晶的 熔点，高于温度T2就变成清澈透明各向同性的液态， 称T2为液晶的清亮点。LCD能工作的极限温度范围基 10 本上由T1和T2确定。
近晶相液晶(Smectic Liquid Crystals) 分子 呈二维有序性，分子排列成层，层内分子长轴相互 平行，排列整齐，重心位于同一平面内，其方向可 以垂直层面，或与层面成倾斜排列，层的厚度等于 分子的长度，各层之间的距离可以变动，分子只能 在层内做前后、左右滑动,但不能在上下层之间移动。 近晶相液晶的粘度与表面张力都比较大，对外 界电、磁、温度等的变化不敏感。
把某些有机物放在一定的溶剂中，由于溶剂 破坏结晶晶格而形成的液晶称为溶致液晶，它是 由于溶液浓度发生变化而出现的液晶相，最常见 的有肥皂水等。 目前用于显示的液晶材料基本上都是热致 液晶，而生物系统中则存在大量溶致液晶。目 前发现的液晶物质已有近万种。构成液晶物质 的分子，大体上呈细长棒状或扁平片状，并且 在每种液晶相中形成特殊排列。 6
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n∥——沿着P型向列液晶长轴方向振动的光 波的最大折射率。
n⊥——垂直P型向列液晶长轴方向振动的光 波的最小折射率。 按照晶体光学理论，这种液晶为单轴的， 分子的长轴方向就是光轴，寻常光折射率 no= n⊥，非寻常光折射率ne= n∥。
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EX
n∥ n⊥
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随着光线沿着z方向前进，偏振光相继成为椭圆、圆和线 偏振光，同时改变了线偏振方向。最后，这束光将以位相差所 决定的偏振状态，进入空气中。